３次元曲面ネットワーク物質における電子物性の理論

• 研究課題/領域番号: 17K05496
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 越野 幹人 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60361797)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
• キーワード: グラフェン / ２次元物質 / 量子ホール効果 / 2次元物質 / 多孔質グラフェン / 物性理論 / ナノ材料 / 半導体物性

研究成果の概要

グラフェンが作る多種多様な幾何学構造を舞台として、電子状態、磁場中効果、フォノン物性に関する幅広い理論研究を行った。グラフェンが曲面となり周期的につながった３次元グラフェンにおいては、磁場中に現れる特殊な１次元チャネルによって３次元量子ホール効果が生じることを明らかにした。またグラフェンが積層したねじれ２層グラフェンにおいては、モアレ効果による特殊な電子状態、フォノン状態を記述する理論を構築するとともに、３０度グラフェンにおける準結晶効果を理論・実験の両面から明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

究極に薄い２次元物質であるグラフェンは、面と面をつなぎ合わせることで様々な幾何学構造を実現でき、その構造に依存して全く異なる性質を呈する。この研究ではグラフェンが作る様々な形の物質に着目し、その物理的性質を理論的に調べた。グラフェンが曲面となって空間を埋め尽くす３次元グラフェンでは、曲面のトポロジーによって全く異なる電気伝導特性を示すことを見出した。またグラフェン同士を回転させて重ねたねじれ積層グラフェンでは、モアレ干渉効果によって、もとのグラフェンとは全く異なる電子状態や格子振動が生じることを明らかにした。これらの研究は未来の物質科学とナノテクノロジーの基礎になることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] 韓国高等科学院(韓国)
• [国際共同研究] ニューヨーク大学上海(中国)
• [国際共同研究] カリフォルニア大学バークレー校(米国)
• [国際共同研究] マンチェスター大学/ランカスター大学(英国)
• [国際共同研究] MIT/Columbia Univerisity/Harvard University(米国)
• [国際共同研究] 成均館大学(SKKU)/韓国高等研究院 (KIAS)(韓国)
• [国際共同研究] NYU Shanghai(中国)
• [雑誌論文] Perfect one-dimensional chiral states in biased twisted bilayer graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsim Bonnie、Nam Nguyen N. T.、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 12 ページ: 125409-125409
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.125409
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of Drastic Electronic-Structure Change in a One-Dimensional Moir? Superlattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhao Sihan、Moon Pilkyung、Miyauchi Yuhei、Nishihara Taishi、Matsuda Kazunari、Koshino Mikito、Kitaura Ryo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 10 ページ: 106101-106101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.106101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Topological charge pumping by a sliding moire pattern (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Manato、Koschke Henri、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 4 ページ: 041112-041112
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.041112
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Films of rhombohedral graphite as two-dimensional topological semimetals (2019)
  • 著者名/発表者名: Slizovskiy Sergey、McCann Edward、Koshino Mikito、Fal'ko Vladimir I.
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 2 号: 1 ページ: 164-164
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0268-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Band structure and topological properties of twisted double bilayer graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 23 ページ: 235406-235406
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.235406
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quasicrystalline electronic states in 30 rotated twisted bilayer graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Moon Pilkyung、Koshino Mikito、Son Young-Woo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 16 ページ: 165430-165430
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.165430
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Diamagnetic levitation and thermal gradient driven motion of graphite (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Manato、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 4 ページ: 045405-045405
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.045405
  • NAID: 130008151869
  • 査読あり
• [雑誌論文] Moire phonons in twisted bilayer graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Koshino Mikito、Son Young-Woo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 7 ページ: 075416-075416
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.075416
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum Hall effect in three-dimensional graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Kiryu and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 8 ページ: 85443-85443
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085443
  • 査読あり
• [雑誌論文] Twist-angle dependence of the proximity spin-orbit coupling in graphene on transition-metal dichalcogenides (2019)
  • 著者名/発表者名: Yang Li and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 7 ページ: 75438-75438
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.075438
  • 査読あり
• [雑誌論文] Maximally-localized Wannier orbitals and the extended Hubbard model for the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino, Noah F. Q. Yuan, Takashi Koretsune, Masayuki Ochi , Kazuhiko Kuroki, Liang Fu
  • 雑誌名: Phys. Rev. X 巻: 8 号: 3 ページ: 31087-31087
  • DOI: 10.1103/physrevx.8.031087
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction-induced insulating states in multilayer graphenes (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuro Habe and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 12 ページ: 125201-125201
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.125201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible correlated insulating states in magic-angle twisted bilayer graphene under strongly competing interactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ochi, Mikito Koshino, Kazuhiko Kuroki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 8 ページ: 81102-81102
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.081102
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dirac Electrons in a Dodecagonal Graphene Quasicrystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Sung Joon Ahn, Pilkyung Moon, Tae-Hoon Kim, Hyun-Woo Kim, Ha-Chul Shin, Eun Hye Kim, Hyun Woo Cha, Se-Jong Kahng, Philip Kim, Mikito Koshino, Young-Woo Son, Cheol-Woong Yang, Joung Real Ahn
  • 雑誌名: Science 巻: 361 号: 6404 ページ: 782-786
  • DOI: 10.1126/science.aar8412
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Band structure engineering of 2D materials using patterned dielectric super- lattices (2018)
  • 著者名/発表者名: Carlos Forsythe, Xiaodong Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Abhay Pasupathy, Pilkyung Moon, Mikito Koshino, Philip Kim and Cory R. Dean
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 号: 7 ページ: 566-571
  • DOI: 10.1038/s41565-018-0138-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional graphdiyne as a topological nodal-line semimetal (2018)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Nomura, Tetsuro Habe, Ryota Sakamoto, Mikito Koshino
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 号: 5 ページ: 054204-054204
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.054204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-dimensional porous graphene networks expand graphene-based electronic device application (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Ito, Y. Tanabe, K. Sugawara, M. Koshino, T. Takahashi, K. Tanigaki, H. Aoki, M. Chen
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 20 号: 9 ページ: 6024-6033
  • DOI: 10.1039/c7cp07667c
  • NAID: 120007134239
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetotransport in Weyl semimetal nanowires (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Igarashi, M. Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 号: 19 ページ: 1953061-8
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.195306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of Tertiary Dirac Points in Graphene Moire Superlattices (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Chen, M. Sui, D. Wang, S. Wang, J. Jung, P. Moon, S. Adam, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Zhou, M. Koshino, G. Zhang, Y. Zhang
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 17 号: 6 ページ: 3576-3581
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00735
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction-induced insulating states in multilayer graphenes (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino, K. Sugisawa, E. McCann
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 号: 23 ページ: 2353111-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.235311
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lattice relaxation and energy band modulation in twisted bilayer graphene (2017)
  • 著者名/発表者名: Nguyen N. T. Nam, M. Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 号: 7 ページ: 753111-12
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.075311
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Moire phonons in the twisted bilayer graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Lattice relaxation and moire phonons in the twisted bilayer graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Recent Progress in Graphene and 2D Materials Research 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted 2D materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted bilayer graphenes and van-der Waals superlattices (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: IBS Center for Correlated Electron Systems Regular Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronics properties in twisted 2D materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 3rd International Workshop on 2D material
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ツイスト積層2次元物質の電子・フォノン物性(シンポジウム講演) (2019)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 日本物理学会 2019 年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Electronics properties in twisted 2D materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: The 5th Conference on Condensed Matter Physics (Liyang, China, June 27-30, 2019 )
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic theory of twisted bilayer graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Korean Physical Society Spring Meeting 2019, (Daejon Korea, April 24-26, 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted bilayer graphenes and van der Waals heterostructures (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: MIT Chez Pierre Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective model for the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: The 9th A3 Symposium on Emerging Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective theory for the flat band in the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: The 10th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Con- ference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of incommensurate 2D materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: EU-Japan Tokyo Satellite Symposium Program on 2D materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective theory for the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 19th International conference on the Sicence and Application of Nanotubes and Low- dimensional Materials (NT18)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic properties of incommensurate 2D crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 19th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetotransport in Weyl semimetal nanowires (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
• [学会発表] 磁場中の 3 次元多孔質グラフェンの電子状態の理論的研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 桐生敏樹, 越野幹人
  • 学会等名: 日本物理学会 2017 年秋季大会
• [学会発表] グラフェンのトポロジカル欠陥における電子の有効理論 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林智宏, 越野幹人
  • 学会等名: 日本物理学会 2017 年秋季大会
• [学会発表] Physics of Moire Interfaces in 2D Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: 5th Ito International Research Center (IIRC) Conference
  • 招待講演
• [学会発表] Hofstadter’s butterfly in 2D and 3D (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Symposium: Hofstadter Butterfly
  • 招待講演
• [学会発表] Physics of moire superlattices (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Collaborative Conference on 3D & Materials Research (CCMR 2017)
  • 招待講演